Митио Каку
Будущее человечества. Колонизация Марса, путешествия к звездам и обретение бессмертия
Лунный отдых и развлечения
Наконец, астронавтам понадобятся развлечения – способ «выпустить пар» и расслабиться. Когда в 1971 г. на поверхность спутника сел «Аполлон-14», служащие НАСА не знали, что Алан Шепард втайне пронес на борт космического корабля клюшку для гольфа. Все очень удивились, когда он вытащил свою клюшку и отправил мячик метров на 200 по лунной поверхности. Это был первый и пока единственный раз, когда человек занимался спортом на поверхности другого небесного тела. (Копия этой клюшки сейчас хранится в Национальном музее авиации и космонавтики Смитсоновского института в Вашингтоне.) Спорт на Луне станет, вероятно, занятием специфическим из-за отсутствия воздуха и низкой гравитации. И все же это будет арена для новых замечательных достижений.
В ходе экспедиций «Аполлон-15, 16 и 17» астронавты ездили по пыльной поверхности спутника Земли на лунных вездеходах, «накатывая» от 27 до 50 км. Это были не просто важные научные экспедиции, но и увлекательные приключения: астронавты осматривали величественные кратеры и горные цепи и понимали, что они первыми в истории человечества видят эти поразительные панорамы. В будущем езда на вездеходах-багги не только поможет исследовать поверхность Луны, устанавливать солнечные панели и сооружать первую станцию, но и станет, вероятно, одним из любимых видов отдыха. И вероятно, когда-нибудь на Луне пройдут первые гонки.
Когда люди откроют для себя чудеса лунного ландшафта, туризм и исследование окрестностей также могут стать популярным видом отдыха. При пониженной лунной гравитации пешеходы сумеют, не уставая, проходить большие расстояния. Скалолазы смогут почти без усилий спускаться по веревкам с крутых горных склонов. С верхушек кратеров и горных цепей они увидят невероятные панорамы лунного ландшафта, не тронутые буквально в течение миллиардов лет. Спелеологи будут счастливы провести подробную разведку сети гигантских лавовых трубок, пронизывающих Луну во всех направлениях. На Земле пещеры образованы в основном подземными реками. На Луне нет заметных скоплений жидкой воды, и лунные пещеры, в отличие от земных, проделаны в горных породах жидкими лавовыми потоками. Они должны выглядеть совершенно иначе, чем те полости, которые мы знаем на Земле.
Откуда взялась Луна?
Когда будут успешно налажены добыча и использование ресурсов, обнаруженных на поверхности Луны, мы неизбежно устремим свой взгляд к богатствам, скрывающимся под этой поверхностью. Их открытие изменит экономический ландшафт, как изменило его случайное и неожиданное открытие на Земле нефти. Но что представляют собой недра Луны? Чтобы ответить на этот вопрос, придется задуматься над тем, откуда она вообще взялась.
Над происхождением спутника нашей планеты человечество ломает голову уже не одну тысячу лет. Поскольку Луна – королева ночи, ее часто связывали с тьмой или безумием. С Луной же связано и слово «лунатик».
Древних моряков поражала и завораживала связь между Луной, приливами и Солнцем. Еще в незапамятные времена люди поняли, что между этими тремя явлениями существует тесная корреляция.
Древние обратили внимание и на другой любопытный факт: всегда и везде мы видим лишь одну сторону Луны. Припомните случаи, когда вам приходилось внимательно вглядываться в Луну, и поймете, что вы всегда видели одну и ту же картину.
Детали этой головоломки сложил в понятную картину Исаак Ньютон. Он рассчитал, что приливы вызываются гравитационным действием Луны и Солнца на земные океаны. Согласно его теории, Земля тоже вызывает на Луне приливные эффекты, но, поскольку Луна каменная и океанов на ней нет, Земля ее, по существу, просто сдавливает, и эта сдавливающая сила создает на ней небольшое вздутие. Когда-то Луна кувыркалась, обращаясь по орбите вокруг Земли. Однако постепенно эти кувырки замедлились, и в конечном итоге вращение Луны оказалось замкнуто на Землю, так что теперь на нас смотрит всегда одна и та же сторона нашего спутника. Это явление называется приливным захватом и наблюдается всюду в Солнечной системе, в том числе у лун Юпитера и Сатурна.
Воспользовавшись законами Ньютона, можно определить также, что в результате действия приливных сил Луна медленно по спирали удаляется от Земли. Радиус ее орбиты каждый год увеличивается примерно на 4 см. Это можно измерить при помощи лазерного луча: луч направляют на Луну (астронавты во время экспедиции оставили там зеркала, которые помогают проводить подобные эксперименты), принимают его отражение, а затем рассчитывают, сколько времени потребовалось лучу, чтобы отразиться от Луны и вернуться обратно. Путешествие света туда и обратно длится всего около 2 с, но этот интервал постепенно увеличивается. Если Луна уходит от нас по спирали, то мы можем, прокрутив видеозапись задом наперед, оценить ее прошлую орбиту.
Приблизительный расчет показывает, что Луна отделилась от Земли несколько миллиардов лет назад. А современные данные указывают, что 4,5 млрд лет назад, вскоре после того как Земля была сформирована, произошло катастрофическое столкновение Земли с крупным планетоидом. Этот планетоид – мы называем его Тейя – по размеру примерно соответствовал Марсу. Компьютерные модели позволили нам взглянуть на происходившие тогда драматические события. Взрыв выбил из Земли громадный кусок и вытолкнул его в космос. Но, поскольку столкновение произошло скорее по касательной, нежели лоб в лоб, оно почти не затронуло внутреннее железное ядро Земли. В результате Луна, хотя и содержит железо в некоторых количествах, не обладает существенным магнитным полем, так как не имеет расплавленного железного ядра.
После столкновения из нашей планеты, как из огромного пирога, был вырезан целый кусок. Но под воздействием стягивающей природы гравитации со временем Луна и Земля вновь приняли форму шара.
Астронавты доставили на Землю наглядные свидетельства в пользу теории столкновения – 382 кг лунного грунта. При этом обнаружилось, что Луна и Земля состоят из почти одинакового набора химических элементов, включая кремний, кислород и железо. А вот анализ случайных камней из пояса астероидов показывает, что их состав сильно отличается от состава земных пород.
Мне приходилось видеть лунный грунт в студенческие годы в Радиационной лаборатории в Беркли. Рассматривая его под мощным микроскопом, я был глубоко впечатлен. Там были видны крохотные кратеры, вызванные ударами микрометеоритов, которые столкнулись с Луной миллионы лет назад. Приглядевшись внимательнее, я увидел внутри этих кратеров еще более мелкие кратеры. И еще более мелкие кратеры внутри тех кратеров. Такая цепочка кратеров внутри кратеров невозможна в земных камнях, поскольку микрометеориты успевают испариться в атмосфере и не достигают поверхности Земли. Но лунную поверхность они бомбардируют непрерывно, ведь на Луне атмосферы нет. (Это означает также, что для астронавтов на Луне микрометеориты могут стать серьезной проблемой.)
Поскольку горные породы Луны так близки по составу к породам Земли, может оказаться, что добывать что-либо из глубин Луны имеет смысл только в том случае, если вы задумали строить на Луне города. Если Луна может предложить нам только то, что есть и на Земле, то доставлять полезные ископаемые на Землю, вероятно, будет слишком дорого. Но лунные материалы могут очень пригодиться нам на месте для создания лунной инфраструктуры – строительства зданий, дорог и скоростных трасс.
Прогулки по Луне
Что произойдет, если астронавт снимет скафандр на поверхности Луны? Без воздуха там останется только задохнуться, но есть и еще одно, даже более пугающее, обстоятельство: кровь в жилах при этом закипит.
На Земле на уровне моря вода кипит при 100 градусах по Цельсию. С понижением атмосферного давления температура кипения воды снижается. Когда я был маленьким, мне однажды очень наглядно продемонстрировали действие этого принципа. Мы тогда устроили пикник в горах и жарили яйца на сковороде на костре. Яйца плавали в масле, вовсю шипели и выглядели очень аппетитно. Но, когда я их попробовал, меня чуть не стошнило. На вкус они были ужасны. Тогда мне объяснили, что с подъемом в горы атмосферное давление начинает падать и температура кипения воды понижается. Поэтому яйца, хотя активно кипели и с виду казались поджаренными, так до конца и не приготовились. Шипящее на сковороде яйцо было, в общем-то, не слишком горячим.
Еще раз мне пришлось столкнуться с этим явлением примерно в те же годы. Когда мы встречали Рождество, из коробки извлекалась старомодная рождественская гирлянда, в которой над каждой электрической лампочкой располагались тонкие запаянные трубочки с водой. При включении окрашенная в разные цвета вода в них начинала кипеть. Это было великолепное зрелище! Однажды я схватил трубочку с кипящей водой – и испугался, представив себе, что сейчас обожгусь, как о кипящий чайник. На самом же деле я почти ничего не почувствовал. Только много лет спустя я понял, что тогда произошло. В запаянной трубочке был частичный вакуум, и температура закипания воды в ней снизилась настолько, что даже слабого нагрева от крохотной электрической лампочки было достаточно, чтобы заставить воду кипеть, но она при этом вовсе не была горячей.
Астронавты столкнутся на поверхности Луны с этими же физическими законами, если когда-нибудь в скафандре одного из них возникнет течь. По мере того как воздух будет покидать скафандр, давление внутри него будет падать – а с ним и точка кипения воды. В конечном итоге кровь в теле астронавта начнет кипеть.
Сидя в кресле здесь, на Земле, мы забываем об атмосферном давлении, о том, что каждый квадратный сантиметр нашей кожи постоянно испытывает давление, равное примерно килограмму силы, поскольку над нами располагается высоченная колонна воздуха. Почему же это давление не раздавит нас в лепешку? Потому что навстречу ему, изнутри нашего тела, давит тот же килограмм силы. Все находится в равновесии. Но если отправиться на Луну, то килограмм воздуха, которым давит на каждый квадратный сантиметр поверхности атмосфера, исчезнет. И останется только тот килограмм силы, что давит изнутри.
Иными словами, человек, снявший скафандр на Луне, испытает, вероятно, весьма неприятные ощущения. Лучше не снимать.
Как могла бы выглядеть постоянная лунная база? К сожалению, специалисты НАСА еще не опубликовали никаких официальных чертежей. Нам остается ориентироваться только на воображение писателей-фантастов и голливудских сценаристов. Но, когда лунная база будет построена, мы попытаемся перевести ее на самообеспечение. Это сразу многократно снизит затраты на поддержание базы, но потребует создания серьезной инфраструктуры: нам понадобятся строительные комбинаты для производства домов, большие теплицы для выращивания растений, химические заводы для получения кислорода и громадные солнечные батареи для выработки энергии. Для оплаты всего этого потребуется собственный источник дохода. А поскольку Луна состоит в основном из того же материала, что и наша планета, нам, возможно, придется искать источник, который обеспечил бы постоянный приток средств, еще дальше от Земли. Вот почему предприниматели Кремниевой долины уже давно с интересом посматривают на астероиды. Астероидов в пространстве миллионы, и они вполне могут оказаться вместилищем несказанных богатств.
Посредством астероидов-убийц природа задает нам вопрос: «Как там продвигается космическая программа?»
Аноним
3. Полезные ископаемые в небесах
Томас Джефферсон был глубоко обеспокоен.
Он только что подписал документ о передаче $15 млн – воистину кругленькая сумма по меркам 1803 г. – Наполеону и тем самым принял самое противоречивое и дорогостоящее решение за всю свою деятельность на посту президента. Он удвоил территорию Соединенных Штатов. Страна теперь простиралась до самых Скалистых гор. Покупка Луизианы должна была войти в историю как один из главных успехов – или неудач – его президентства.
Глядя на карту, где простирались огромные неисследованные территории, Джефферсон думал о том, не придется ли ему потом пожалеть о принятом решении.
Позже он отправит Мериуэзера Льюиса и Уильяма Кларка в экспедицию – исследовать свою покупку. Что скрывается за белым пятном на карте – девственный природный рай, ожидающий колонистов, или безжизненная пустыня?
В глубине души он понимал, что в любом случае на заселение такой огромной территории может потребоваться еще тысяча лет.
Однако через несколько десятков лет произошло событие, полностью все изменившее. В 1848 г. возле лесопилки Саттера в Калифорнии обнаружили золото. Эта новость произвела эффект разорвавшейся бомбы. Более 300 000 человек устремились в эти дикие места в поисках богатств. В бухте Сан-Франциско начали швартоваться корабли со всего света. Экономика росла взрывными темпами. На следующий год Калифорния подала заявку на статус штата.
Вслед за золотоискателями пришли фермеры, скотоводы и предприниматели. В западной части страны зародились первые великие города. В 1869 г. в Калифорнию протянули железную дорогу, связавшую штат с остальной территорией Соединенных Штатов. Железная дорога обеспечила инфраструктуру для торговли и перевозок, что привело к стремительному росту населения региона. Напутствие «Езжай на Запад, парень» стало настоящей мантрой XIX столетия. Золотая лихорадка, при всех своих минусах и издержках, помогла открыть Американский Запад для заселения и дала толчок его стремительному развитию.
Сегодня некоторые всерьез задумываются о том, не породит ли добыча ископаемых в поясе астероидов новую, на этот раз космическую, золотую лихорадку. Частные предприниматели уже проявляют интерес к исследованию этого региона и его несказанных богатств, а НАСА финансирует сразу несколько проектов, целью которых является доставка астероида к Земле.
Может ли так случиться, что нас ждет новая великая экспансия – на этот раз в пояс астероидов? А если так, то каким образом мы могли бы встроить эту новую космическую экономику в уже существующую? Можно представить себе потенциальную аналогию между цепочкой сельскохозяйственного снабжения с участием Дикого Запада в XIX в. и будущей цепочкой снабжения астероидов. В позапрошлом столетии группы ковбоев перегоняли скот с ранчо на юго-западе страны почти на тысячу миль к таким городам, как Чикаго. Там скот забивали, а мясо отправляли поездами дальше на восток, чтобы удовлетворить потребности населения городов. Точно так же, как давние маршруты перегонки скота связывали юго-запад страны с северо-востоком, возможно, могла бы сложиться экономика, связывающая пояс астероидов с Луной и Землей. Луна при этом стала бы чем-то вроде Чикаго будущих времен – там ценные минералы, добытые в поясе астероидов, перерабатывались бы и отправлялись дальше, на Землю.
Происхождение пояса астероидов
Прежде чем погрузиться в подробности добычи полезных ископаемых на астероидах, было бы полезно прояснить несколько понятий, которые часто путают между собой: это метеор, метеорит, астероид и комета. Метеор – это яркий след межпланетной песчинки, сгорающей в атмосфере. Хвосты метеоров, указывающие направление, откуда эти камни прилетают, возникают из-за трения о воздух. В ясную ночь метеоры можно видеть с интервалом в несколько минут, для этого достаточно просто смотреть на небо.
Камень, который пролетает атмосферу и падает на Землю, называется метеоритом.
Астероиды – это каменный и железный мусор Солнечной системы. В большинстве своем они располагаются в поясе астероидов и представляют собой остатки несформировавшейся планеты между Марсом и Юпитером. Если сложить массы всех известных астероидов, то в сумме они составят всего 4 % от массы Луны. Однако большинство этих объектов до сих пор не обнаружено, а потенциально их миллиарды. По большей части астероиды обращаются по стабильным орбитам в пределах пояса астероидов, но иногда какой-то из них сбивается с пути, влетает в атмосферу Земли и сгорает в ней метеором.
Комета – это кусок льда и камня, сформировавшийся далеко за пределами орбиты Земли. Если астероиды располагаются внутри Солнечной системы, то орбиты многих комет пролегают по ее внешней границе – в поясе Койпера – или даже за пределами Солнечной системы, в облаке Оорта. Кометы, которые мы иногда видим на ночном небе, – это те из них, чьи орбиты или траектории привели их к Солнцу. Когда комета приближается к светилу, солнечный свет и ветер срывают с нее частицы льда и пыли. В результате рядом с кометой возникает хвост – но направлен он от Солнца, а не вдоль траектории кометы по ее следу.
За многие годы исследований у ученых сложилось четкое представление о том, как сформировалась наша Солнечная система. Около 5 млрд лет назад Солнце представляло собой медленно вращающееся гигантское облако, состоящее в основном из пыли и газообразных водорода и гелия. В поперечнике оно достигало нескольких световых лет (световой год – это расстояние, которое свет проходит за год, примерно 9,5 трлн км). Из-за большой массы облако постепенно сжималось под действием гравитации. Сжимаясь, оно вращалось все быстрее и быстрее – в точности как фигурист начинает вращаться быстрее, когда прижимает руки к телу. Со временем облако сконденсировалось в быстро вращающийся диск со звездой в центре. Из окружающего звезду газопылевого диска начали формироваться протопланеты, которые постепенно собирали на себя вещество диска и увеличивались в размерах. Этот процесс объясняет, почему все планеты обращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и в одной плоскости.
Считается, что в какой-то момент одна из протопланет слишком приблизилась к крупнейшей из всех планет, Юпитеру, и была разорвана его мощнейшей гравитацией. В результате сформировался пояс астероидов. Согласно другой теории, пояс астероидов мог сформироваться в результате столкновения двух протопланет.
Солнечную систему можно изобразить как Солнце, окруженное четырьмя поясами: внутренний пояс составляют каменные планеты (Меркурий, Венера, Земля и Марс), далее идет пояс астероидов, за ним следует пояс газовых гигантов, включающий в себя Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, и, наконец, последним идет кометный пояс, который называют также поясом Койпера. А еще дальше, за пределами этих четырех поясов, имеется сферическое облако комет, окружающее Солнечную систему целиком и известное как облако Оорта.
Вода – простая молекула – в начале существования Солнечной системы представляла собой обычное, часто встречающееся вещество, но существовала в разных состояниях в зависимости от расстояния от Солнца. Ближе к Солнцу, там, где вода должна была кипеть и превращаться в пар, мы видим планеты Меркурий и Венеру. Земля располагается чуть дальше, так что вода здесь может существовать в виде жидкости. (Иногда зону, в которой температура допускает существование жидкой воды, называют «зоной Златовласки» или зоной жизни.) Дальше от Солнца вода превращается в лед, на Марсе и на еще более далеких планетах и кометах она находится в основном в этом состоянии.
Добыча полезных ископаемых на астероидах
Если мы хотим добывать полезные ископаемые на астероидах, нам чрезвычайно важно будет разобраться в их происхождении и составе.
Идея о добыче полезных ископаемых на астероидах не так нелепа, как могло бы показаться. Мы уже многое знаем об их строении, поскольку некоторые астероиды падают на Землю. В состав астероидов входят железо, никель, углерод, кобальт, а кроме того, они содержат значительные количества редкоземельных элементов и ценных металлов, таких как платина, палладий, родий, рутений, иридий и осмий. Эти элементы, естественно, находят и на Земле, но встречаются они редко и стоят очень дорого. Поскольку их запасы на Земле, по-видимому, истощатся в ближайшие десятилетия, добыча на астероидах станет экономически выгодной. А если астероид удастся столкнуть с его орбиты и перевести на орбиту вокруг Луны, дальше с ним можно будет свободно работать.
В 2012 г. группа предпринимателей организовала компанию Planetary Resources, целью которой объявлена добыча полезных ископаемых с астероидов и доставка их на Землю[15]. Этот амбициозный и потенциально очень прибыльный план поддержали некоторые ведущие игроки Кремниевой долины, включая исполнительного директора Alphabet, Inc. (компании – основателя Google) Ларри Пейджа и исполнительного председателя правления этой компании Эрика Шмидта, а также известного кинорежиссера Джеймса Кэмерона.
В определенном смысле астероиды можно сравнить с летающими в открытом космосе золотоносными рудниками. Так, в июле 2015 г. один такой астероид, около 300 м в поперечнике, пролетел мимо нас на расстоянии, вшестеро превышающем расстояние от Земли до Луны. Предположительно, в его ядре содержалось 90 млн т платины стоимостью $5,4 трлн. По оценкам Planetary Resources, даже в небольшом 30-метровом астероиде может содержаться платины на $25–50 млрд. Компания даже составила список небольших близких астероидов – приходи и бери. Если бы один из них удалось доставить к Земле, он оказался бы кладезем минералов, которые многократно окупили бы все затраты инвесторов.
Из примерно 16 000 астероидов, которые считаются околоземными объектами (их орбиты пересекают орбиту Земли), астрономы выделили короткий список – 12 астероидов, которые считаются идеальными кандидатами на доставку к Земле. Расчеты показали, что, немного изменив их траектории, эти астероиды размерами от 3 до 21 м в поперечнике можно перевести на окололунную или околоземную орбиту.
Но в космосе много и других астероидов. В январе 2017 г. астрономы неожиданно обнаружили астероид всего за несколько часов до того, как он пронесся мимо Земли. Он прошел от нас на расстоянии всего лишь около 51 500 км, или 13 % расстояния от Земли до Луны. К счастью, он был всего около 6 м в поперечнике и не вызвал бы значительных разрушений, даже если бы столкнулся с Землей. Однако его пролет – лишнее подтверждение того факта, что мимо Земли постоянно пролетает множество астероидов, и большинство из них остаются незамеченными.
